Procese de transfer de căldură

1.Introducere:

Schimbatoare de caldura.Generalitati.

Schimbatoarele de caldura sunt aparate(utilaje) in care se realizeaza procese(operatii) de transfer de caldura intre doua fluide.

Clasificare schimbatoarelor se poate face din mai multe puncte de vedere,dintre care 3 sunt mai importante:

A. Clasificarea dupa procesul principial de transfer de caldura ;

B. Clasificarea dupa modul de contactare al fluidelor ;

C. Clasificarea dupa modul constructiv al aparatului ;

A.Dupa procesul principial de transfer de caldura,se deosebesc mai multe clase de aparate :preincalzitoare,racitoare,condensatoare,racitoare-condensatoare,refierbatoare,vaporizatoare,cristalizatoare,recuperatoare,regeneratoare(schimbatoare de caldura propriu-zise).

B.Dupa modul de contactare al fluidelor,putem avea 3 clase de aparate :

• Schimbatoare cu contact indirect sau de suprafata : aparate la care cei 2 agenti nu vin in contact direct ,ei fiind despartiti de o suprafata de schimb de caldura cu care vin in contact permanent sau periodic.

Daca cele 2 fluide vin in contact permanent cu suprafata de schimb de caldura, fluxul termic prin aceasta fiind unidirectional, avem schimbator de caldura de tip recuperativ.

Acest tip de aparat este cel mai raspandit putand fii realizat in numeroase variante constructive.

Daca agentii termici vin in contact alternativ cu suprafata de transfer de caldura, fluxul termic schimbandu-si periodic directia avem schimbator de caldura de tip regenerativ. Aparatele regenerative pot fi realizate cu suprafata fixa sau rotativa.

• Schimbatoare cu contact direct : aparate la care agentii termici nu mai sunt separati de o suprafata amestecandu-se unul cu celalalt.

Acestea pot fi :

- aparate fara umplutura : transefrul de caldura se realizeaza la suprafata fluidului pulberizat in picaturi fine sau care curge suvite. (figura 1)

- aparate cu umplutura : transeferul termic apare la suprafata unei pelicule formate pe umplutura schimbatorului (figura2)

• Schimbatoare de caldura cu fluid intermediar stationar : sunt de conceptie mai recenta, se utilizeaza in cazuri practice caracteristice si prezinta unele avantaje specifice. Ele se caracterizeaza prin faptul ca transferul de caldura de la fluidul cald la fluidul rece, care sunt in curgere continua prin fierbator, este mijlocit de un fluid intermediar stationat in aparat.

C. Dupa tipul constructiv al aparatului avem :

- schimbator de caldura cu fascicul tubular in manta;

- schimbator “tub in tub” – prezinta avantajul de a lucra in contracurent, dar sunt voluminoase si grele, in raport cu aria de transfer. De obicei se realizeaza baterii din astfel de elemente, plasate in serie, in paralel sau mixt.(Figura3.)

- racitoare cu serpentina scufundata -constau intr-o cada prevazuta cu deversor, prin care circula apa de racire si in care se afla scufundata serpentina prin care curge fluidul cald.(Figura4.)

- schimbatoare de caldura cu placi - lucreaza cu presiuni relativ mici pentru ambele fluide si au inceput sa fie utilizate si in industria petrochimica, ele fiind usoare si cu gabarit mic in raport cu aria de transfer.(Figura5.)

- racitoare si condensatore cu aer constau intr-un fascicul de tuburi prevazute la exterior cu aripioare transversale circulare, peste care circula impins de ventilatoare aerul atmosferic.

- racitoare si condenstoare prin contact direct : constau in coloane de contractoarein contracurent, cu sau fara umplutura, pentru doua fluide nemiscibile (gaz lichid sau lichid-lichid).

Curgerea fluidelor in aparatele de schimb de caldura se poate realiza in 4 moduri distincte :

• echicurent ;

• contracurent ;

• curent incrucisat ;

• curent compus.

(Figura6.)

Curgerea in contracurent presupune ca cei 2 agenti termici circula pe langa suprafata de schimb de caldura paralel si in sensuri contrarii.Curgerea in contracurent asigura cea mai mare diferenta medie de temperatura intre agentii termici,insa temperatura peretelui la intrarea fluidului cald este maxima.

Curgerea in echicurent apare in cazul circulatiei agentilor temici,paralel si in acelasi sens,pe langa suprafata de transfer de caldura. Acest tip de curgere realizeaza cea mai mica diferenta medie de temperatura,insa cea mai buna racire a peretelui in zona de intrare a fluidului primar.

Circulatia in curent incrucisat presupune curgere perpendiculara a celor 2 agenti termici.In acest caz se pot distinge 3 situatii : ambele fluide amestecate(fig. 6c),un fluid amestecat si celalalt neamestecat(fig.6 d),ambele fluide neamestecate(fig. 6e).

Un fluid se numeste ‘amestecat’ atunci cand in orice plan normal pe directia sa de curgere,are aceeasi temperatura.In cazul fluidului ‘neamestecat’ exista o diferenta de temperatura si in directia normala la curgere.